北江大堤西南歷史險段整治效果分析

張廣傳，李海彬,黃 東,劉畫眉，練偉航

(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東 廣州 510635；2.廣東省水安全科技協(xié)同創(chuàng)新中心，廣東 廣州 510635；3.河口水利技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州 510635)

北江大堤是全國七大重點(diǎn)堤圍之一，是廣東省最重要的堤圍。大堤的防洪安全直接關(guān)系到廣東經(jīng)濟(jì)社會的穩(wěn)定和發(fā)展，捍衛(wèi)著廣州、佛山、清遠(yuǎn)3市14個縣(區(qū))、2 000多萬人口、100多萬畝耕地和2萬多億元國民生產(chǎn)總值，以及白云國際機(jī)場、京廣鐵路、武廣高鐵、京珠高速等重要設(shè)施的防洪安全。北江大堤西南段位于北江下游新沙洲河段左汊，三水區(qū)西南水閘上游，起訖樁號為51+893～53+550(新樁號)，全長1 657 m。該堤段為迎流頂沖、深槽迫岸堤段，且堤基為透水地基，易發(fā)生崩岸、裂縫、滑坡等，屬于歷史險段。堤內(nèi)為三水市區(qū)，房屋密集，搶險條件極差[1-3]。

北江大堤加固達(dá)標(biāo)工程已于2008年底完工，強(qiáng)透水堤基滲漏問題經(jīng)過加固達(dá)標(biāo)工程的截滲壓滲減壓處理后，已基本滿足設(shè)計要求[4-5]。為了解決迎流頂沖造成堤岸失穩(wěn)的問題，西南河段采取了拋石、模袋混凝土防護(hù)、擴(kuò)挖河汊、魚嘴導(dǎo)堤控制、拆除丁壩等工程措施。由于河床是不斷變化的，沖刷與淤積交替出現(xiàn)，北江大堤達(dá)標(biāo)加固工程實(shí)施后，尚未遭遇設(shè)計頻率100年一遇洪水，迎流頂沖河段特別是西南河段的整治效果及穩(wěn)定情況備受社會各界關(guān)注。

根據(jù)馬興瑞省長2017年4月10日現(xiàn)場檢查北江大堤防汛備汛工作時提出的對北江大堤可能存在隱患的歷史險段進(jìn)行排查，確定堤圍的安全性的指示精神(簽報201700154)，本文對北江大堤西南險段開展分析研究，對其整治效果進(jìn)行評估，分析其變化趨勢，為西南險段整治效果后評估和防洪決策提供參考。

1 險段治理

1.1 整治目標(biāo)

北江大堤西南歷史險段整治總體原則與目標(biāo)為：控制左汊，疏導(dǎo)右汊，穩(wěn)定左汊河床不繼續(xù)下切，逐漸恢復(fù)左、右汊的分流比。即采取適當(dāng)?shù)墓こ檀胧?，限制左汊河床持續(xù)下切，創(chuàng)造條件，使河床回淤，起到固堤作用；適當(dāng)疏浚右汊河道，使得右汊的分流比逐漸恢復(fù)以減輕左汊的壓力。

1.2 險段整治過程

北江大堤西南堤段全段均為堤腳臨河，迎流頂沖，1983—1987年曾對樁號51+953～52+253進(jìn)行拋石護(hù)腳處理，對樁號52+366～52+566做高壓定噴防滲墻處理。

1998—2000年，西南堤段多次出現(xiàn)堤頂混凝土路面裂縫，堤防管理部門于2001—2003年實(shí)施了堤身加固、堤基處理及護(hù)岸工程：堤頂高程為設(shè)計洪水位加超高2.2 m，堤頂寬8 m，采用泥灰結(jié)石加瀝青表面處治層路面，堤后改建防汛公路；在迎水坡及背水坡腳設(shè)置反壓平臺，堤后填砂壓滲、修建減壓井和排水渠；采用拋石護(hù)岸、護(hù)坦，220 cm厚C20模袋砼護(hù)岸及干砌石。

北江大堤加固達(dá)標(biāo)工程于2005年開始實(shí)施，西南段重點(diǎn)實(shí)施了河勢控導(dǎo)措施、堤基處理與護(hù)岸工程。其中，河勢控導(dǎo)與整治包括：① 老沙洲整治：拆除老沙洲地面建筑物；降低老沙洲地面高程至4.0 m；② 解除護(hù)岸約束：將兩岸拋石拆至-6.0 m高程，同時，為擴(kuò)大左汊過水?dāng)嗝妫仙持拮蟀锻谶M(jìn)10 m，挖除高程-6.0 m；③ 右汊河道進(jìn)口清除丁壩及疏浚涉及的攔沙坎，疏浚寬度60 m，疏浚底高程為-4.8 m。④ 魚嘴導(dǎo)堤整治。堤基處理包括強(qiáng)透水層堤段采用400 mm厚砼防滲墻、高壓旋噴樁墻補(bǔ)接處理，設(shè)置壓滲配套減壓井，全段填塘固基。護(hù)岸工程采用拋石護(hù)岸、護(hù)坦，C20模袋砼護(hù)岸厚220及干砌石(見圖1)。

圖1 北江大堤加固達(dá)標(biāo)工程西南堤段整治措施布置示意

2 數(shù)據(jù)源及技術(shù)路線

2.1 數(shù)據(jù)源

本研究主要收集到：北江大堤西南河段1998年、2005年、2008年、2012年、2014年、2016年共6 a西南河段典型大斷面或水下地形測圖資料；新沙洲左、右汊分流比監(jiān)測數(shù)據(jù)；西南河段2015年9月22日10：00—9月23日12：00的同步水文泥沙觀測資料。同時還搜集了“06.7”等典型歷史洪水、西南河段床沙顆粒分析等資料。

2.2 方法

1) 基于實(shí)測地形資料，分析近年來西南河段近年來河道演變情況及變化趨勢；

2) 運(yùn)用平面二維水沙數(shù)值模擬手段，分析設(shè)計洪水條件下(100年一遇)，該河段沖淤變化趨勢及分流比變化等，在此基礎(chǔ)上，綜合分析整治工程效果及日常防護(hù)重點(diǎn)。

3 西南河段河道演變及分流比變化

綜合考慮資料系列時限、北江大堤整治加固達(dá)標(biāo)起止時間節(jié)點(diǎn)，本次主要采用1998年、2005年、2008年、2012年、2014年、2016年共6 a西南河段典型大斷面或水下地形測圖資料進(jìn)行比較，以分析各時期的河道演變情況。

3.1 河床沖淤變化

西南河段自1998年以來，左、右汊河道均有較大幅度下切；北江大堤整治工程實(shí)施期間(2005—2008年)，主槽仍呈下切趨勢，左汊下切幅度達(dá)2.33 m，右汊下切幅度約0.73 m；自2008年整治工程實(shí)施后，北江大堤岸灘基本穩(wěn)定，老沙洲解除護(hù)岸約束后，2012—2016年間沙洲邊坡內(nèi)潰約4.6 m；2014—2016年左槽有所淤升，淤積厚度約0.26 m。右槽過水?dāng)嗝孑^左岸寬闊，2014年前逐年變深，2014—2016年明顯淤升，淤積厚度約1.69 m(見圖2)。

(1)

3.2 河道深泓變化

從平面變化來看，新沙洲左汊河道西南段，深泓線基本居于河道中央，1998—2016年間深泓線略有擺動，但擺幅不大，新沙洲右汊河道深泓線基本位于河道中間偏右(見圖1所示)。

從縱向變化來看，2005年以前，新沙洲左汊河道西南段總體表現(xiàn)為深泓變深，2005年以后基本表現(xiàn)為深泓淤升。其中，北江大堤達(dá)標(biāo)加固工程實(shí)施后，2008—2016年西南段深泓年平均淤升幅度約為0.20 m/a。

3.3 分流比變化

西南河段被新沙洲分為左、右兩汊，在20世紀(jì)50～70年代，分流比相差不大；70年代末以前，主航道在右汊；進(jìn)入80年代，航道部門在右汊河道進(jìn)口處進(jìn)行多次航道整治，包括修建分水壩，左右汊分流比發(fā)生劇變，左汊河道變成主航道，至2001年底，左汊枯水期分流量占比92%～100%；中水期占比70%以上，洪水期(20～100年一遇)約占68%～69%。

經(jīng)對比分析整治工程實(shí)施前、后汊道分流比情況(見表1)，與2002年相比，在綜合整治措施實(shí)施后，北江干流水道新沙洲左汊枯、中、洪水期(2008—2015年，洪水期未進(jìn)行水文監(jiān)測，采用數(shù)值模擬計算成果)的分流比均小于整治工程實(shí)施前，整治工程發(fā)揮了一定的效果。

表1 西南段左、右汊河道分流比

4 河道沖淤變化趨勢

研究建立了平面二維曲線網(wǎng)格水流泥沙數(shù)學(xué)模型，水流連續(xù)方程、運(yùn)動方程、泥沙輸移方程參考文獻(xiàn)[6]進(jìn)行了詳細(xì)闡述。

4.1 模型建立及基礎(chǔ)資料

研究區(qū)域的范圍見圖1，研究河段地形資料均采用2015年9月實(shí)測的1∶1 000水下地形圖，床沙顆粒分析資料采用西南河段實(shí)際采樣成果。

4.2 模型率定

1) 水位、流速率定

以2015年9月10日12：00—9月11日14：00同步水文測驗(yàn)資料對模型進(jìn)行了率定。模型所模擬的各驗(yàn)證測點(diǎn)水位過程與天然情況比較吻合；計算的各條垂線(觀測斷面位置見圖1)的流速大小和流向變化與實(shí)測結(jié)果趨于一致(流速值相對誤差基本在10%以內(nèi)，個別流速值誤差略大，但流速差值在0.08 m/s以內(nèi))。限于篇幅，僅列出了部分觀測點(diǎn)率定過程線(見圖3～4)。

(1)2#斷面(觀測點(diǎn)1)

(1)2#斷面(觀測點(diǎn)1)

2) 河道沖淤驗(yàn)證

初始地形采用2014年11月實(shí)測地形，復(fù)演至2015年9月，驗(yàn)證左汊洲頭至洲尾范圍的河床沖淤變化。分析可知，河道左汊整體以微淤為主，計算的沖淤量與實(shí)測值接近(見表2)。

表2 工程附近河床驗(yàn)證誤差統(tǒng)計

模型率定和驗(yàn)證成果符合水力計算相關(guān)規(guī)程規(guī)范要求，可進(jìn)行實(shí)際方案計算。

4.3 計算結(jié)果分析

選取堤防設(shè)計防洪標(biāo)準(zhǔn)(P=1%)水文條件采用恒定流計算分析北江大堤西南段河道水動力條件特征：上邊界流量：16 200 m3/s；下邊界水位：8.84 m(珠基)。

選取北江發(fā)洪典型大洪水(06.7洪水)，進(jìn)行非恒定流水沙沖淤計算，分析河段沖淤演變趨勢。

4.3.1流速分布特征

在百年一遇設(shè)計洪水條件下，流速最大值分布在老沙洲洲尾附近，該位置堤段迎流頂沖，最大流速在2.2～3.0 m/s；近岸流速達(dá)到了1.60～1.80 m/s。

4.3.2河道沖淤分布

根據(jù)泥沙沖淤結(jié)果分析(見圖5)，在老沙洲河槽及洲灘位置，河床將發(fā)生沖刷，沖刷幅度約0.6～1 m。左汊拋石護(hù)腳工程拋石塊石重量在50～70 kg，選取應(yīng)用廣泛的沙莫夫公式等進(jìn)行起動流速進(jìn)行計算，防護(hù)塊石能夠滿足抗沖刷防護(hù)的要求。盡管如此，由于拋石區(qū)域與河槽結(jié)合部位易發(fā)生沖刷，為避免河床沖刷引起拋石平臺失穩(wěn)而影響防護(hù)效果，需要重點(diǎn)監(jiān)測并進(jìn)行補(bǔ)充防護(hù)。

圖5 西南險段典型洪水沖淤變化示意

4.3.3分流比變化

由表1可知，魚嘴導(dǎo)堤整治工程的實(shí)施，新沙洲左汊的分流比有逐漸縮小的趨勢；通過2009—2015年流量監(jiān)測，水位越高，右汊流量占比越大：新沙洲左、右汊分流比低水位從73.5%和26.5%調(diào)整到67.7%和32.3%，高水位從68.4%和31.6%調(diào)整到63.2%和36.8%。根據(jù)水沙數(shù)值模擬成果，在百年一遇設(shè)計洪水條件下，新沙洲左汊的分流比進(jìn)一步減小，約為58.5%。

5 結(jié)語

本文在北江大堤西南險段河道演變分析的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了平面二維水沙數(shù)學(xué)模型，對西南險段的整治效果進(jìn)行了分析和預(yù)測，主要結(jié)論如下：

1) 北江大堤加固達(dá)標(biāo)工程實(shí)施后，西南險段河床岸灘基本穩(wěn)定；近年(2014—2016年)河道演變分析表明，西南段河槽總體有所淤積，淤積幅度在0.5 m以內(nèi)。該段深槽迫岸態(tài)勢得到遏制，整治效果良好。

2) 魚嘴導(dǎo)堤整治工程的實(shí)施，新沙洲左汊的分流比有逐漸縮小的趨勢；流量監(jiān)測結(jié)果表明，水位越高，右汊分流比越大；在百年一遇設(shè)計洪水條件下，新沙洲右汊的分流比約為41.5%。

3) 拋石區(qū)域與原河槽結(jié)合部位的河床易發(fā)生沖刷，因此需要重點(diǎn)監(jiān)測拋石防護(hù)平臺的穩(wěn)定情況，避免河床沖刷引起拋石流失而影響整治效果。

由于北江大堤在加固達(dá)標(biāo)工程實(shí)施后，還未遭遇過百年一遇設(shè)計洪水，因此，需加強(qiáng)安全監(jiān)測和汛期檢查，對存在安全隱患的地方作進(jìn)一步分析研究，采取合適的加固方案進(jìn)行進(jìn)一步治理，確保大堤安全。

研究成果于2017年6月1日通過了省水利廳組織的專家評審，并報省政府，為省政府相關(guān)決策提供了技術(shù)支撐。研究成果目前已被堤防管理部門采納，應(yīng)用于日常運(yùn)行管理和堤防防護(hù)。西南險段綜合整治工程為珠江三角洲迎流頂沖、深槽迫岸等險段治理提供了解決方案，實(shí)施效果明顯，具有廣闊的推廣價值和顯著的經(jīng)濟(jì)效益。